海洋油氣柔性軟管環(huán)空狀態(tài)檢測研究及應(yīng)用*

王 凱 張 熠 喻西崇 王立佳 何元濤

(1. 北京石油化工學(xué)院 深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點實驗室 北京 102617； 2. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028；3. 海洋石油工程股份有限公司設(shè)計公司 天津 300451； 4. 中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司深圳分公司 廣東深圳 518054)

海洋油氣柔性軟管是海上油氣田開發(fā)工程的重要設(shè)施之一[1-4]，與傳統(tǒng)的硬質(zhì)鋼管相比，使用柔性軟管可使管道的整體造價降低20%～50%[5]。截至2017年底，全球海洋油氣軟管使用量已累計15 341 km，其中57.4%應(yīng)用于水深超過300 m的深水油氣田開發(fā)[6]。由于該類軟管固有的特殊管壁結(jié)構(gòu)，管內(nèi)的部分小分子氣體(例如CH4、CO2、H2S、水蒸氣等)在壓力、溫度、濃度梯度等的驅(qū)動下會逐漸滲透塑性內(nèi)壓密封層，在管壁環(huán)空內(nèi)不斷積聚、冷凝進(jìn)而產(chǎn)生憋壓[7-8]。如果設(shè)計和運行管理不當(dāng)則可能對管壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響：過盈壓力造成外保護(hù)層鼓脹、發(fā)泡甚至破損，不能達(dá)到阻隔海水防腐的目的；水蒸氣在環(huán)空冷凝形成液態(tài)水后不易排出管外，導(dǎo)致部分甚至全部浸沒環(huán)空；冷凝水在CO2或H2S的作用下形成腐蝕性環(huán)境，誘發(fā)環(huán)空金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕失效，動態(tài)立管在“腐蝕-疲勞”的耦合作用下嚴(yán)重縮短服役壽命[9]；管道停輸后因環(huán)空溫度下降而產(chǎn)生的水合物堵塞排氣系統(tǒng)，使內(nèi)管泄壓的瞬變壓力與環(huán)空壓力不平衡，導(dǎo)致骨架層被壓潰[10]。據(jù)Oil & Gas UK統(tǒng)計，柔性立管單管年均失效概率為1‰～10‰[6]：在2010年統(tǒng)計的106起事故中，因環(huán)空金屬層浸水、腐蝕失效和骨架層壓潰等原因造成的事故占比超過45%[11]；在2017年統(tǒng)計的584起事故中，因環(huán)空灌水失效而造成的事故占比高達(dá) 36.3%[6]。

目前，柔性軟管環(huán)空測試技術(shù)被少數(shù)公司所壟斷。2H Offshore公司研制的柔性立管環(huán)空測試系統(tǒng)FlexTest具有環(huán)空正壓或真空測試能力，可以檢測外保護(hù)層的完整性和環(huán)空排氣系統(tǒng)的通暢性，并估算環(huán)空的剩余體積以及液體的浸沒率[12]；4Subsea公司研制的環(huán)空排氣監(jiān)測系統(tǒng)AMOSTM，可用于不同服役階段柔性立管環(huán)空的連續(xù)監(jiān)測，具備外保護(hù)層損壞、排氣系統(tǒng)堵塞等早期診斷功能，從而避免換管或停產(chǎn)等事故，此外該系統(tǒng)還提供了環(huán)空剩余體積測試和氮氣自動充壓測試選項，并申請了專利保護(hù)[13]；Kongsberg公司研制的環(huán)空排氣監(jiān)測系統(tǒng)Annulus Vent Monitoring System與柔性立管端部排氣口連接，可以連續(xù)測量排氣的壓力、溫度和流量，并自動估算環(huán)空剩余體積，通過環(huán)空體積變化判斷外保護(hù)層損壞浸水的可能性[14]；2020年，TechnipFMC公司提出了一種柔性立管環(huán)空氣體監(jiān)測儀表系統(tǒng)ISAGM，它能夠在低于0.1 MPa的氮氣注入條件下，實現(xiàn)多根柔性立管的并行監(jiān)測，因其測試不依賴于立管的氣體擴(kuò)散過程，因而可以得到比傳統(tǒng)方法更準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果[15]。中國目前所開展的柔性立管環(huán)空檢測仍依賴于國外技術(shù)和設(shè)備[16-17]，但近年來在柔性軟管多場熱質(zhì)耦合滲透冷凝的機(jī)理、實驗、建模、算法、軟件等相關(guān)方面取得了一定的階段性研究成果[18-20]。本文針對海洋油氣輸送非黏結(jié)柔性軟管的常見結(jié)構(gòu)，較為系統(tǒng)地研究了環(huán)空在線檢測的系統(tǒng)構(gòu)成、工作流程、主要功能及操作方法，并在南海某油田開展了初步的現(xiàn)場測試，為柔性軟管的安全運行管理提供了支撐和保障。

1 檢測設(shè)備及方法

海洋油氣柔性軟管的典型結(jié)構(gòu)及環(huán)空檢測系統(tǒng)如圖1所示。在海洋平臺或FPSO的單點艙內(nèi)將檢測系統(tǒng)與軟管環(huán)空端部預(yù)留的閥門連接，即可實施對整條軟管環(huán)空的無損檢測作業(yè)。作業(yè)前，整個系統(tǒng)的閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)。同時，為避免H2S等高危氣體泄漏帶來危害，操作人員在進(jìn)入工作場地后需全程帶好防毒面具。檢測設(shè)備可實現(xiàn)柔性軟管的環(huán)空氣體、液體、腐蝕剝離物采樣、氣體滲透速率測試、環(huán)空體積檢測、外保護(hù)層泄漏檢測、環(huán)空腐蝕防護(hù)等多種采樣、檢測及防護(hù)功能[21]，進(jìn)而為柔性軟管的安全評價提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

圖1 柔性軟管典型結(jié)構(gòu)及環(huán)空檢測系統(tǒng)

2 現(xiàn)場檢測

2020年9月，南海某油田對柔性立管的環(huán)空狀態(tài)開展了現(xiàn)場檢測。軟管由NKT公司提供，2007年安裝投產(chǎn)，設(shè)計使用壽命25 a，水深90 m，長183 m，環(huán)空體積設(shè)計值為6.183 L/m，管道內(nèi)徑304.8 mm，各層結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。該立管采用陡波浪型布置，通過浮筒保持其在水中形態(tài)，上端與單點浸沒型生產(chǎn)轉(zhuǎn)塔(submerged turret production，STP)相連，下端連接到水下終端管匯(pipeline end manifold，PLEM)，上下兩端均裝有限彎器來保護(hù)其根部強度和疲勞壽命。輸送介質(zhì)為原油和水并含有少量伴生氣，輸量500～660 m3/h，運行溫度70～78 ℃，壓力0.2～0.8 MPa。測試完成了環(huán)空氣體、液體(含固態(tài)沉積物)取樣、危險氣體探測、環(huán)空“注氮-保壓-泄壓”壓力監(jiān)測、環(huán)空浸沒體積、剩余體積檢測、軟管外保護(hù)層破損檢測等多項作業(yè)，檢測現(xiàn)場及收集的環(huán)空液體樣本與腐蝕剝離物見圖2。

表1 柔性軟管結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 柔性軟管檢測裝置及取樣樣本

3 結(jié)果分析

3.1 環(huán)空浸沒及剩余體積

根據(jù)環(huán)空注入的氮氣量及對應(yīng)的環(huán)空壓力，利用實際氣體狀態(tài)方程可得到不同壓力對應(yīng)的環(huán)空剩余體積(圖3)?？梢钥闯?，高壓條件對應(yīng)的剩余體積高出低壓條件對應(yīng)剩余體積70%左右。這是由于氮氣在環(huán)空壓力作用下可以溶解于水，浸沒環(huán)空的水越多，則不同壓力測得的剩余體積差別越大。根據(jù)氮氣溶解度系數(shù)在不同壓力下的差值，可得環(huán)空中水的體積約為1 110 L，剩余體積約為23 L，環(huán)空被水浸沒率高達(dá)98%。由于環(huán)空的浸沒率較高，液體樣本比氣體樣本更能真實地反映環(huán)空金屬的腐蝕程度。

圖3 不同壓力對應(yīng)的環(huán)空剩余體積

需要特別指出的是，該柔性立管的環(huán)空通過單向呼吸閥與大氣相通，其壓力近似處于常壓，因此當(dāng)內(nèi)管的水蒸氣滲透進(jìn)環(huán)空后，在遠(yuǎn)未達(dá)到形成液態(tài)水所需的飽和蒸汽壓之前即被排放到了大氣中。也就是說，環(huán)空在近似常壓條件下不具備大量水蒸氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)水的條件。由此可以推斷，環(huán)空中高達(dá)98%的水更可能是軟管外保護(hù)層破損后滲透進(jìn)來的海水。

3.2 環(huán)空“注氮-保壓-泄壓”全過程壓力特性

環(huán)空壓力全過程監(jiān)測結(jié)果如圖4所示，可以分為注氮、保壓和泄壓3個階段。①在注氮階段，4段漸次遞增的環(huán)空壓力均呈現(xiàn)出明顯的先快后慢趨勢，分別對應(yīng)氮氣在環(huán)空干燥區(qū)和浸沒區(qū)的填充過程。②在保壓階段，環(huán)空壓力在15:23:47達(dá)到最高值0.208 7 MPa，經(jīng)過約6 h的保壓測試后，壓力衰減至0.185 5 MPa，壓降幅度為11.1%。根據(jù)《管道工程管線試壓管理規(guī)定(GDGS/GC.13-2018)》，氣體嚴(yán)密性試驗的標(biāo)準(zhǔn)是在24 h的穩(wěn)壓時間內(nèi)，壓降不得大于1%試驗壓力值且不大于0.1 MPa[22]。本次環(huán)空試壓的時長僅為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1/4，壓降幅度卻超過標(biāo)準(zhǔn)10倍之多，據(jù)此判斷該軟管的外保護(hù)層存在疲勞裂紋微泄漏的可能性較大。③在泄壓階段，環(huán)空壓力12 min內(nèi)由0.185 5 MPa降到0，證明排氣系統(tǒng)較為暢通。

圖4 環(huán)空“注氮-保壓-泄壓”全過程壓力監(jiān)測曲線

3.3 環(huán)空樣本分析

1) 氣態(tài)樣本。

在軟管上端部的環(huán)空排氣口取樣3次，共收集了3份氣體樣本。第1份氣態(tài)樣本中CH4含量所占比例為8.8%，而其余2份氣態(tài)樣本中CH4含量約1.2%～1.6%，其原因是CH4密度比空氣低，主要聚集在立管環(huán)空上部，因此第1份樣本采集到CH4的相對含量較多。此外，氣態(tài)樣本中也有少量CO2存在，據(jù)此判斷環(huán)空內(nèi)已形成酸性環(huán)境，對金屬層具有一定的腐蝕性。

2) 液態(tài)樣本。

氣體取樣完成后，將氣體攜帶的、滯留在連接管路內(nèi)的液滴集中起來，收集到1份液體樣本。本次取樣所獲取的液體樣本顏色呈透明淡黃色，體積約20 mL，固體(沉淀物)含量51.4 mg，詳細(xì)分析結(jié)果見表2。可以看出，液體樣本中含有大量的Cl-離子和Na+、K+、Ca2+、Mg2+等金屬陽離子。Cl-離子濃度高達(dá)3.7%，在量級上已等同于該海域海水的Cl-離子濃度，進(jìn)一步證實了該樣本中的水來自于柔性軟管外保護(hù)層破損后浸入的海水。同時，樣本中含有一定的S2-離子，說明環(huán)空氣體中有H2S存在。液態(tài)樣本的pH為5.0，顯示為中等酸性，其原因是管輸介質(zhì)中的酸性氣體滲透進(jìn)環(huán)空并溶解于環(huán)空液體中，形成了對環(huán)空金屬腐蝕風(fēng)險較高的酸性溶液。此外，根據(jù)Fe2+以及總Fe濃度，判斷環(huán)空金屬已經(jīng)發(fā)生了比較嚴(yán)重的腐蝕。

表2 立管環(huán)空收集的液體樣本測試結(jié)果

3) 固態(tài)樣本。

將液態(tài)樣本中夾雜的部分固體沉積物分為4份固態(tài)樣本(圖5)，經(jīng)過濾、沖洗和干燥等處理后，進(jìn)行掃描電鏡和能譜儀多點測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①4份固態(tài)樣本測得的沉積物主要成分為氧化鐵和鹽類；②固態(tài)樣本1的微區(qū)拉曼光譜測試結(jié)果(圖6)表明，100～600 cm-1波數(shù)的拉曼強度峰值呈明顯的“雙峰”特征，意味著沉積物含有Fe2O3；③固態(tài)樣本2部分區(qū)域的碳原子濃度高達(dá)75.08%，換算為相應(yīng)的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，說明在立管環(huán)空中含有機(jī)物的可能性較高；④固態(tài)樣本4中檢測出了硫化物，說明立管環(huán)空中可能含有一定量的H2S；⑤掃描電子顯微鏡圖片顯示，鹽類物質(zhì)與Fe2O3結(jié)合得比較均勻，并非在其表面簡單附著，說明腐蝕過程產(chǎn)生于含鹽環(huán)境；⑥由于在大部分固態(tài)樣本中檢測出了Cl-，說明除了內(nèi)管氣體滲透環(huán)空發(fā)生的冷凝水-CO2、冷凝水-H2S兩種腐蝕外，還發(fā)生了海水浸入環(huán)空的腐蝕。

圖5 固態(tài)樣本掃描電鏡圖片

圖6 固態(tài)樣本1的微區(qū)拉曼光譜測試結(jié)果

4 結(jié)論與建議

1) 對某柔性立管環(huán)空檢測結(jié)果表明，液體浸沒率較高、酸性較強、對環(huán)空金屬的腐蝕風(fēng)險較大，液體可能來自于外保護(hù)層產(chǎn)生疲勞裂紋后滲入的海水。

2) 建議采用水下機(jī)器人(ROV)對外保護(hù)層的完整性進(jìn)行排查，根據(jù)排查結(jié)果的嚴(yán)重程度采取相應(yīng)的修復(fù)措施。同時開展注劑方案的可行性研究，及時向環(huán)空注入緩蝕劑，將環(huán)空中的酸性水置換出來，以抑制腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生。